網(wǎng)絡(luò)是工程師的基礎(chǔ)技能之一，畢竟沒有網(wǎng)絡(luò)我們什么也干不了!從各大公司的招聘要求上看，網(wǎng)絡(luò)也是重點(diǎn)的考核部分。今天就和大家一起復(fù)習(xí)下(還)大學(xué)里的課程(欠下的債)!TCP/IP協(xié)議簇的IP協(xié)議。

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理解網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)大佬們想出了分層的設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能分開，交付給不同的層，這樣的好處是便于更新和維護(hù)(IPv6的到來并沒有使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計(jì))，也便于我們的學(xué)習(xí)和理解。下面是各個(gè)版本的網(wǎng)絡(luò)體系的結(jié)構(gòu)圖：

讓我們明確下各層的工作職責(zé)(以五層協(xié)議為例):

應(yīng)用層，該層協(xié)議主要負(fù)責(zé)各個(gè)應(yīng)用程序之間交互的規(guī)則，如HTTP、DNS，其交互的數(shù)據(jù)單元可以稱為”報(bào)文”。

運(yùn)輸層，為應(yīng)用層提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，為上層跑腿的。TCP、UDP均是運(yùn)輸層協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)層，為網(wǎng)絡(luò)中不同的主機(jī)提供通信服務(wù)，IP協(xié)議工作在該層。

數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)相鄰兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。

物理層，傳輸比特流，0 或 1。每一層將數(shù)據(jù)封裝成自己能理解的數(shù)據(jù)格式，交付給下一層，下一層將收到的作為自己的數(shù)據(jù)再次添加本層的必要數(shù)據(jù)，向下交付，直到鏈路層，傳遞到目的地后，每層再將該層的必要數(shù)據(jù)去掉，交付給上層。如下圖：

理解IP協(xié)議

在理解了網(wǎng)絡(luò)模型和各層直接的配合之后，下面進(jìn)入正題：網(wǎng)際協(xié)議(IP)。

主要理解IP協(xié)議給我們提供的功能有哪些，說白了就是它能干嘛。

為網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)(PC或路由或網(wǎng)關(guān))提供身份證。

定義了網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的基本交流方式，從IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式可以看出。

為路由尋址提供方便，從路由表結(jié)構(gòu)可以看出。

任何一個(gè)協(xié)議都可以由語法，語義和同步三部分組成。

語法，交換信息的格式，對(duì)于IP協(xié)議，就是IP報(bào)文的格式。

語義，即需要發(fā)出何種控制信息，以及接收到信息后如何響應(yīng)。

同步，對(duì)事件順序的詳細(xì)說明。

也就是定義了使用IP協(xié)議進(jìn)行交流的法則。

IPv4

IPv4是IP協(xié)議的第4個(gè)版本，就是我們現(xiàn)在使用的。下面從多個(gè)方面了解下該版本。

IP地址

網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)都需要一個(gè)IP地址，這樣才能知道彼此的位置。IPv4地址由32bit構(gòu)成，常使用點(diǎn)分十進(jìn)制表示(192.168.1.1)。

分類

IP地址的分類就是把所有IP劃分為若干類別，每一類都由固定長(zhǎng)度的字段組成，分別為網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)。下面是各類地址組成示意圖：

A類地址，8位網(wǎng)絡(luò)號(hào)，第一位固定為0,可用的網(wǎng)絡(luò)號(hào)只有126個(gè)(2^7-2)，網(wǎng)絡(luò)號(hào)從0到127。減去2是因?yàn)椋篒P地址全為0表示”本網(wǎng)絡(luò)”，保留; 網(wǎng)絡(luò)號(hào)為127作為軟件回環(huán)測(cè)試使用，若主機(jī)發(fā)出目的地為127.0.0.1的數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)不會(huì)向任何網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)發(fā)送。也就是說127開頭的地址不能使用.。對(duì)于A類地址中的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，對(duì)應(yīng)的主機(jī)號(hào)有(2^24-2)個(gè)：主機(jī)號(hào)全0表示，其網(wǎng)絡(luò)號(hào)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，全1表示所有主機(jī)的意思。

B類地址網(wǎng)絡(luò)號(hào)為16位，但前面2位以固定為1 0。無論怎么取值，無法出現(xiàn)全0或全1的情況。128.0.0.0的網(wǎng)絡(luò)是不使用的，實(shí)際使用的最小B類網(wǎng)絡(luò)地址為128.1.0.0，所以B類的網(wǎng)絡(luò)地址有(2^14-1)個(gè)。

C類的地址有24位的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，最前面的3位固定為1 1 0.192.0.0.0的網(wǎng)絡(luò)地址也是不使用的,，最小的C類地址為192.0.1.0。

總結(jié)如下:

分類的好處:

方便管理，IP地址管理機(jī)構(gòu)只需管理網(wǎng)絡(luò)號(hào)，剩下的可以由下級(jí)管理。

路由尋址時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)發(fā)分組，減小路由表。

數(shù)據(jù)報(bào)格式

先看下IP數(shù)據(jù)報(bào)的基本格式：

可以看到IP數(shù)據(jù)報(bào)包含了首部和數(shù)據(jù)部分。其中首部包含固定的20字節(jié)和可變的部分。下面是各部分的解釋：

版本，占4位，IP協(xié)議的版本號(hào)，通信雙方需要相同。

首部長(zhǎng)度，占4位，單位4字節(jié)。最大能表示(2^4-1) * 4 = 60字節(jié)。當(dāng)IP分組的首部長(zhǎng)度不是4的整數(shù)倍時(shí)，需要使用填充字段填充。

區(qū)分服務(wù)，占8位，表示服務(wù)類型，未使用。

總長(zhǎng)度，占16位，表示首部和數(shù)據(jù)部分的總長(zhǎng)度(單位字節(jié)).因此數(shù)據(jù)報(bào)的最大總長(zhǎng)度為(2^16-1 = 65535)字節(jié)。

標(biāo)識(shí)(identification)，占16位。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度超過下層的MTU時(shí)，需要分片，被分片的數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)一樣，這樣可以進(jìn)行重組。

標(biāo)志(Flag)，占3位，目前只有2位有意義

最低位，MF(More Fragment) = 1 表示后面還有分片。MF = 0 表示分片中的最后一個(gè)。

中間一位，DF(Don’t Fragment)，不要分片，只有當(dāng)DF=0才允許分片

片偏移，占13位.較長(zhǎng)的分組在分片后，某片在原分組的相對(duì)位置。必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。

生存時(shí)間，占8位，Time To Live(TTL)，開始指生存的秒數(shù),后來變?yōu)榻?jīng)過路由的跳數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)路由，TTL減小1，當(dāng)為0時(shí)，丟棄該數(shù)據(jù).顯然，最大跳數(shù)為255，為1時(shí)就只能在局域網(wǎng)中傳播了。

協(xié)議，占8位.支出該數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)是使用何種協(xié)議，以便目的主機(jī)IP層知道將數(shù)據(jù)交付給哪個(gè)協(xié)議處理，常用的協(xié)議及對(duì)應(yīng)數(shù)值：

首部校驗(yàn)和, 占16位.數(shù)據(jù)報(bào)的首部校驗(yàn)和,不包括數(shù)據(jù)部分.

源地址, 目的地址, 各占32位

IPV6

IPv6的出現(xiàn)是解決IPv4資源枯竭的問題。其仍然支持無連接的傳送，但傳送的是PDU分組，而不是IPv4的數(shù)據(jù)報(bào)。

IP地址

IPv6的地址是128bit，在可預(yù)見的未來是夠用的。但和IPv4版本并不兼容，若使用IPv4版本的主機(jī)A和使用IPv6版本的主機(jī)B之間通信是需要特殊處理的，在后面會(huì)介紹方法。

IPv6的地址表示

IPv6的地址采用冒號(hào)十六進(jìn)制記法，8組4個(gè)16進(jìn)制數(shù)字，中間使用冒號(hào)隔開。例如：

6845:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:9000:FFFF

若一組中全是0，可以省略三個(gè)。

若存在連續(xù)多組0，可以使用冒號(hào)取代，但只能壓縮一次 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以壓縮為 FF05::B3 1090:0:0:0:8:800:200C:417A 可以壓縮為 1090::8:800:200C:417A 全零可記為 ::

最后的2組可以使用IPv4的點(diǎn)分十進(jìn)制表示 0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 可表示為 ::128.10.2.1

數(shù)據(jù)報(bào)格式

IPv6數(shù)據(jù)報(bào)由兩大部分組成，基本首部和有效載荷。有效載荷運(yùn)行有0個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展首部。

可以看到，IPv6的首部是固定的40字節(jié)，和IPv4不同;在組成上也有很大區(qū)別，下面看下各部分的意思。

版本，4位，協(xié)議的版本，通信雙方需要相同

通信量類，占8位。區(qū)分不同的IPv6的數(shù)據(jù)報(bào)或優(yōu)先級(jí)。

流標(biāo)號(hào)，占20位。IPv6一個(gè)新機(jī)制就是支持資源預(yù)分配，運(yùn)行路由把每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)與特定的資源分配和聯(lián)系。IPv6提出流的概念，指互聯(lián)網(wǎng)上從特定源點(diǎn)到特定終點(diǎn)的一系列數(shù)據(jù)報(bào)(如實(shí)時(shí)的音頻或視頻傳輸),，在這個(gè)流經(jīng)過的路徑上路由都保證指明的服務(wù)質(zhì)量。所有屬于同一個(gè)流的數(shù)據(jù)報(bào)具有相同的流標(biāo)號(hào)。賦值為0即為關(guān)閉。

有效載荷長(zhǎng)度，占16位。指明除基本首部以外的字節(jié)數(shù)。最大64KB。

下一首部，占8位。相當(dāng)于IPv4的協(xié)議字段或可選字段。

當(dāng)IPv6沒有擴(kuò)展首部時(shí)，該字段和IPv4的協(xié)議字段一樣。

有擴(kuò)展首部時(shí)，表示第一個(gè)擴(kuò)展首部的類型。

跳數(shù)限制，和IPv4的TTL一樣。

源地址，目的地址，各占128位。

從IPv4向IPv6過渡

網(wǎng)絡(luò)如此龐大，從IPv4向IPv6的變換不可能一蹴而就，若要在兩個(gè)版本的協(xié)議下通信，有下面的2個(gè)方法。

雙協(xié)議棧

簡(jiǎn)單的說就是一個(gè)主機(jī)能夠理解兩個(gè)版本的內(nèi)容，這樣主機(jī)也要有2個(gè)版本對(duì)應(yīng)的IP地址。具有雙協(xié)議棧的主機(jī)，可以通過DNS系統(tǒng)知道目的主機(jī)使用的協(xié)議版本。

下面是兩臺(tái)使用IPv6的主機(jī)通信示意圖，它們之間需要通過IPv4網(wǎng)絡(luò)，在必要的時(shí)候經(jīng)過雙協(xié)議棧的主機(jī)進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然轉(zhuǎn)換的時(shí)候有些信息可能丟失，這也是不可避免的。

使用隧道技術(shù)

隧道技術(shù)的原理是，在IPv6的數(shù)據(jù)需要進(jìn)入IPv4網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將IPv6的數(shù)據(jù)報(bào)(準(zhǔn)確的說是PDU)當(dāng)成IPv4數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分，使用IPv4版本傳輸，在離開IPv4網(wǎng)絡(luò)時(shí)在此組裝成IPv6的數(shù)據(jù)，發(fā)往目的地。下面是一個(gè)示意圖：

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